CN105588669B - 一种轴销式三向测力传感器 - Google Patents

一种轴销式三向测力传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种轴销式三向测力传感器，能测出轴销的径向力Fn和轴向力Fz，包括轴销弹性元件、至少20片应变片和辅助电路。应变片分5组，每组应变片按要求布置在同一轴向横截面的具有相同半径的轴销外表面或内孔表面。当轴销承受径向力和轴向力，应变片产生的应变信号通过辅助电路以电信号形式输出，通过电信号就能求解出轴销的三向力。本发明的轴销三向测力传感器实现了轴向预应力装配，能检测轴销的径向力和轴向力，解决现有轴销式力传感器不能检测轴销三向力的难题。

Description

一种轴销式三向测力传感器
技术领域
本发明涉及一种轴销式力传感器，具体地说涉及到一种新型的轴销式三向测力传感器，主要应用于轴向预应力装配的轴销的三个方向力的检测。
背景技术
轴销式力传感器广泛应用于机械产品、试验检测等领域，主要用于超载控制或载荷研究。目前国内外常见的轴销式力传感器主要有两种设计原理：剪切应力和弯曲正应力。中国部分专利(如CN00212676.1等)、英国部分专利(如GB819377A等)、日本部分专利(如JP2009198274、JP2010159548、JP2010281783等)等为剪切式轴销力传感器，利用切应力原理来测量销轴的承载剪力，可消除销轴承载点位置的重复性差对测试灵敏度的影响，但只能测量销轴的径向力。中国部分专利(如CN201210554820.6等)、韩国部分专利(如KR20110045517等)等为弯曲式轴销力传感器，利用弯曲正应力原理来测量销轴的承载力，同类型的不同零件可能会引起承载点的重复性差，从而引起较大的测试灵敏度误差，且只能测量销轴的径向力。现在某些机械产品需要检测轴销三向力(即径向方向的两分力和轴向力)，且需实现轴向预应力装配，现有轴销式力传感器不能满足其需求。
发明内容
针对以上现有技术问题，本发明提供了一种轴销式三向测力传感器，具备检测轴销三向力的功能，即能检测轴销的径向力和轴向力，解决现有轴销式力传感器不能检测轴销三向力的难题。
本发明的技术方案具体如下：
一种轴销式三向测力传感器，包括轴销弹性元件、至少20片单轴应变片组成的应变片组和应变片电桥辅助电路，所述的应变片组为5组，所述的轴销弹性元件上设有轴销弹性凹槽Ⅰ和轴销弹性凹槽Ⅱ，每组应变片安装在同一轴向横截面的具有相同半径的轴销弹性凹槽Ⅰ和轴销弹性凹槽Ⅱ的圆周外表面或内孔表面。
本发明的工作原理：本发明的轴销式传感器可测量三个方向的受力，即轴向力Fz和径向力Fn，径向力分为两径向分力Fx、Fy，且能分别测出轴销弹性凹槽Ⅰ和轴销弹性凹槽Ⅱ所承受的径向力，解决轴两端径向力Fn方向不一致的问题。其中，Fxi中的下标x代表坐标方向，下标i可被轴销弹性凹槽Ⅰ或轴销弹性凹槽Ⅱ替代，其他变量的意义类似。
以上所述的轴销式三向测力传感器，所述的轴销弹性凹槽Ⅰ和轴销弹性凹槽Ⅱ圆周方向均匀分为4个方位；所述的应变片组包括4组径向分力应变片组和1组轴向力应变片组；每个轴销弹性凹槽均布置2组径向分力应变片组，每个径向分力应变片组包括4片应变片并布置在圆周均分的四个方位的对称两个方位，不同方向径向分力的应变片组的方位角相差90度；所述的轴向力应变片组包括4片应变片，均匀布置在轴销弹性凹槽Ⅰ或轴销弹性凹槽Ⅱ的4个方位上，所述的轴向力应变片与轴线成0度。
以上所述的轴销式三向测力传感器，所述的径向分力应变片组均由4片应变片组成，应变片与轴线成45度或-45度；正、反面各有2片应变片，且对称布置在轴线即坐标轴的Z轴上下，同面的2片应变片垂直，正面和反面对应的应变片垂直。
以上任一所述的轴销式三向测力传感器，所述的轴向力应变片组包括8片应变片，其中4片均匀布置在轴销弹性凹槽Ⅰ或轴销弹性凹槽Ⅱ的4个方位上，所述的轴向力应变片与轴线成0度；另外4片应变片沿轴向均匀布置在轴销弹性元件21除轴销弹性凹槽Ⅰ和轴销弹性凹槽Ⅱ以外的部分，对均匀布置在轴销弹性凹槽Ⅰ或轴销弹性凹槽Ⅱ的4个方位上的应变片起到温度补偿作用，称之为温度补偿应变片。
以上的轴销式三向测力传感器，所述的应变片电桥辅助电路包括5组应变片的惠斯通电路，每组径向分力应变片组构成一个惠斯通电桥全桥电路，桥臂只有一个应变片，相同面的应变片在相邻桥臂上，180度对应位置的应变片在相邻桥臂上；所述的轴向力应变片组构成一个惠斯通电桥1/4桥。
以上所述的轴销式三向测力传感器，所述的应变片电桥辅助电路包括5组应变片的惠斯通电路，每组径向分力应变片组构成一个惠斯通电桥全桥电路，桥臂只有一个应变片，相同面的应变片在相邻桥臂上，180度对应位置的应变片在相邻桥臂上；所述的轴向力应变片组构成一个惠斯通电桥半桥，4片轴向力应变片串联后一起放在单个桥臂上；4片所述的温度补偿应变片串联后放在另一个桥臂上；或所述的轴向力应变片与温度补偿应变片构成一个惠斯通电桥全桥，4片应变片任意分2组，每组应变片串联后分别放在对边桥臂上，4个温度补偿片分2组分别放在相邻桥臂上。
以上任一所述的轴销式三向测力传感器，所述的轴销弹性元件21的轴端面设有多个螺纹孔，或轴端处设有一段轴销为螺纹，可通过螺纹连接实现轴向预应力装配。
以上任一所述的轴销式三向测力传感器，所述的轴销弹性元件21设有内孔，或轴销圆柱表面沿轴向设有小槽，便于辅助电路布线。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)增加轴向力测量，实现了轴销三向力测量功能；
(2)轴销传感器可实现轴向预应力装配，扩大了应用范围；
(3)以前销轴传感器只能测出销轴两端具有相同方向力，而本发明增加销轴传感器两端具有不同方向力的测量，避免了以前偏载时的测量出错。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明的轴销式三向测力传感器的三向测力的示意图；
图2为本发明的轴销式三向测力传感器的应变片安装在圆周外表面的结构示意图；
图3为本发明的轴销式三向测力传感器的应变片安装在圆周内表面的结构示意图；
图4为本发明传感器的受力分析和应变片布置组合示意图；
图5为本发明传感器测量100区域X方向受力应变片的惠斯通全桥电路示意图；
图6为本发明传感器测量100区域Y方向受力应变片的惠斯通全桥电路示意图；
图7为本发明传感器测量200区域X方向受力应变片的惠斯通全桥电路示意图；
图8为本发明传感器测量200区域Y方向受力应变片的惠斯通全桥电路示意图；
图9为本发明传感器测量Z方向受力应变片的惠斯通全桥电路示意图；
图10为本发明传感器的内孔全通底部螺栓预紧安装形状示意图；
图11为本发明传感器的内孔半通底部螺栓预紧安装形状示意图；
图12为本发明传感器的内孔全通端部螺纹预紧安装形状示意图；
图13为本发明传感器的圆柱表面开槽底部螺栓预紧安装形状示意图；
图14为本发明传感器的装配示意图；
图15为本发明传感器的两端受力方向相同工况示意图；
图16为本发明传感器的两端受力方向不同工况示意图；
附图标记：21，轴销弹性元件；22，应变片；31，轴销传感器；32，固定件；33，旋转件；34，螺栓；35，底板；100轴销弹性凹槽Ⅰ，200轴销弹性凹槽Ⅱ；300，轴销轴端处；400，轴销轴端面；500，轴销螺纹孔；600，轴销螺纹；700，轴销内孔；800，轴销圆柱表面；900，轴销表面小槽。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种轴销式三向测力传感器，包括轴销弹性元件21、至少20片单轴应变片22组成的应变片组和应变片电桥辅助电路，应变片组为5组，轴销弹性元件21上设有轴销弹性凹槽Ⅰ100和轴销弹性凹槽Ⅱ200，每组应变片安装在同一轴向横截面的具有相同半径的轴销弹性凹槽Ⅰ100和轴销弹性凹槽Ⅱ200的圆周外表面或内孔表面。
参考图1，本发明的轴销式传感器可测量三个方向的受力，即轴向力Fz和径向力Fn，径向力分为两径向分力Fx、Fy，且能分别测出轴销弹性凹槽Ⅰ100和轴销弹性凹槽Ⅱ200所承受的径向力，解决轴两端径向力Fn方向不一致的问题。其中，Fxi中的下标x代表坐标方向，下标i可被轴销弹性凹槽Ⅰ或轴销弹性凹槽Ⅱ替代，其他变量的意义类似。
参考图2，轴销弹性凹槽Ⅰ100和轴销弹性凹槽Ⅱ200圆周方向均匀分为4个方位；应变片组包括4组径向分力应变片组和1组轴向力应变片组；每个轴销弹性凹槽均布置2组径向分力应变片组，每个径向分力应变片组包括4片应变片并布置在圆周均分的四个方位的对称两个方位，不同方向径向分力的应变片组的方位角相差90度；所述的轴向力应变片组包括4片应变片，均匀布置在轴销弹性凹槽Ⅰ100或轴销弹性凹槽Ⅱ200的4个方位上，轴向力应变片与轴线(即坐标轴的Z轴)成0度。
参考图2，本发明所述的轴销式三向测力传感器包括弹性元件21、至少20片单轴应变片的应变片22组成的应变片组和应变片电桥的辅助电路。应变片安装在轴销弹性凹槽Ⅰ100和轴销弹性凹槽Ⅱ200的具有相同半径的弹性元件21的圆周表面或内孔表面，不同应变片分别对应某轴向截面的圆周不同位置点1～12。不同应变片分为5组，应变片组的应变片必须安装在同一轴截面上。其中轴销弹性凹槽Ⅰ100、轴销弹性凹槽Ⅱ200Ⅱ对应位置点1、2、5、6的应变片分别构成独立的一组应变片组，位置点3、4、7、8的应变片同样分别构成独立一组应变片组，这两组均为径向分力应变片组；位置点9、10、11、12的应变片构成一组应变片组，这一组为轴向力应变片组，此应变片组可在轴销弹性凹槽Ⅰ100或轴销弹性凹槽Ⅱ200位置，或具有相同圆周半径的同一轴向横截面的弹性元件外表面或内部表面。
其工作原理为：参考图4，当弹性元件受到X、Y、Z三个方向的力，弹性元件会产生变形，各个位置的应变片则会产生相应应变值，且应变值与力的大小成正比。本发明所述的轴销式三向测力传感器就是通过测量这些应变片的应变值来反求X、Y、Z方向的受力，即通过该发明的轴销式传感器可测试销轴所承受的外部载荷。应变片分5组，共有5个输出结果，分别输出轴销弹性凹槽Ⅰ100、轴销弹性凹槽Ⅱ200处的径向分力Fx、Fy和轴向力Fz。其中，应变片组A1、A2、A5、A6用来测量轴销弹性凹槽Ⅰ100区域的径向分力FXA；应变片组A3、A4、A7、A8用来测量轴销弹性凹槽Ⅰ100区域的径向分力FYA；应变片组B1、B2、B5、B6用来测量轴销弹性凹槽Ⅱ200区域的径向分力FXB；应变片组B3、B4、B7、B8用来测量轴销弹性凹槽Ⅱ200区域的径向分力FYB；应变片组B9、B10、B11、B12用来测量轴销的轴向力FZ。5组应变片组的应变片惠斯通全桥分别如图5-9所示。各应变片与Z轴的安装夹角为0或45度，具体角度如图4所示；有括号的应变片，表明该应变片安装在图示零件示意图的背面。
参考图4，轴向力应变片组包括4片应变片，均匀布置在轴销弹性凹槽Ⅰ100或轴销弹性凹槽Ⅱ200的4个方位上，所述的轴向力应变片与轴线(即坐标轴的Z轴)成0度。
参考图5-图9，具体的应变片电桥辅助电路：所述的应变片电桥辅助电路包括5组应变片的惠斯通电路，每组径向分力应变片组构成一个惠斯通电桥全桥电路，桥臂只有一个应变片，相同面的应变片在相邻桥臂上，180度对应位置的应变片在相邻桥臂上；所述的轴向力应变片组构成一个惠斯通电桥1/4桥。
实施例2
与实施例1不同的地方在于：轴向力应变片组包括8片应变片，其中4片均匀布置在轴销弹性凹槽Ⅰ100或轴销弹性凹槽Ⅱ200的4个方位上，轴向力应变片与轴线成0度；另外4片应变片沿轴向均匀布置在轴销弹性元件21除轴销弹性凹槽Ⅰ100和轴销弹性凹槽Ⅱ200以外的部分，对均匀布置在轴销弹性凹槽Ⅰ100或轴销弹性凹槽Ⅱ200的4个方位上的应变片起到温度补偿作用，称之为温度补偿应变片。该温度补偿应变片可去除应变片受温度影响，可提高测试精度。
其原理图可参考图9，轴向力应变片与温度补偿应变片构成一个惠斯通电桥全桥，4片应变片任意分2组，每组应变片串联后分别放在对边桥臂上，4个温度补偿片分2组分别放在相邻桥臂上。同时，轴向力应变片组构成一个惠斯通电桥半桥单4片应变片串联后一起放在单个桥臂上；所述的4片温度补偿应变片串联后放在另一个桥臂上。
实施例3
与实施例1不同的地方在于：参考图3，5组应变片可贴在与实例1轴销外圆柱表面对应的内孔表面。
实施例4
如图10-图13所示，与前述实施例不同的地方在于：轴销式传感器的轴销弹性元件21的轴端面400设有多个螺纹孔500，或轴端处300设有一段轴销为螺纹600，可通过螺纹连接实现轴向预应力装配。
即图10-图13的轴销传感器在轴端面加工小螺纹孔，或在轴端部直接加工为大螺纹，或组合加工，用来实现轴销传感器的轴向预应力装配。
实施例5
如图10-图13所示，与前述实施例不同的地方在于：轴销式传感器的轴销弹性元件21设有内孔700，或轴销圆柱表面800沿轴向设有小槽900，便于辅助电路布线。
即图10、图11、图12的应变片可安装在内孔表面；图13的应变片可安装在轴销凹槽外表面，几个小半圆凹槽用来过辅助电路电线。
本发明所述的轴销式三向测力传感器为轴向预应力装配如图14所示，由轴销传感器31、固定件32、旋转件33、螺栓34、底板35组成。
参考图15-16，本发明所述的轴销式三向测力传感器不仅能用来测试径向载荷为受力方向相同的正载工况，也能用来测试径向载荷为受力方向不同的偏载工况，增强了轴销传感器工况的适应性，避免了径向载荷为偏载时测量出错。

Claims (8)

1.一种轴销式三向测力传感器，其特征在于：包括轴销弹性元件(21)、至少20片单轴应变片(22)组成的应变片组和应变片电桥辅助电路，所述的应变片组为5组，所述的轴销弹性元件(21)上设有轴销弹性凹槽Ⅰ(100)和轴销弹性凹槽Ⅱ(200)，每组应变片安装在同一轴向横截面的具有相同半径的轴销弹性凹槽Ⅰ(100)和轴销弹性凹槽Ⅱ(200)的圆周外表面或内孔表面；
所述的轴销弹性凹槽Ⅰ(100)和轴销弹性凹槽Ⅱ(200)圆周方向均匀分为4个方位；所述的应变片组包括4组径向分力应变片组和1组轴向力应变片组；每个轴销弹性凹槽均布置2组径向分力应变片组，每个径向分力应变片组包括4片应变片并布置在圆周均分的四个方位的对称两个方位，不同方向径向分力的应变片组的方位角相差90度；所述的轴向力应变片组包括4片应变片，均匀布置在轴销弹性凹槽(100)或轴销弹性凹槽(200)的4个方位上，所述的轴向力应变片与轴线成0度；
所述的径向分力应变片组均由4片应变片组成，应变片与轴线成45度或-45度；正、反面各有2片应变片，且对称布置在轴线上下，同面的2片应变片垂直，正面和反面对应的应变片垂直。
2.根据权利要求1所述的轴销式三向测力传感器，其特征在于：所述的轴向力应变片组包括8片应变片，其中4片均匀布置在轴销弹性凹槽(100)或轴销弹性凹槽(200)的4个方位上，所述的轴向力应变片与轴线成0度；另外4片应变片沿轴向均匀布置在轴销弹性元件(21)除轴销弹性凹槽Ⅰ(100)和轴销弹性凹槽Ⅱ(200)以外的部分，对均匀布置在轴销弹性凹槽(100)或轴销弹性凹槽(200)的4个方位上的应变片起到温度补偿作用，称之为温度补偿应变片。
3.根据权利要求1所述的轴销式三向测力传感器，其特征在于：所述的应变片电桥辅助电路包括5组应变片的惠斯通电路，每组径向分力应变片组构成一个惠斯通电桥全桥电路，桥臂只有一个应变片，相同面的应变片在相邻桥臂上，180度对应位置的应变片在相邻桥臂上；所述的轴向力应变片组构成一个惠斯通电桥1/4桥。
4.根据权利要求2所述的轴销式三向测力传感器，其特征在于：所述的应变片电桥辅助电路包括5组应变片的惠斯通电路，每组径向分力应变片组构成一个惠斯通电桥全桥电路，桥臂只有一个应变片，相同面的应变片在相邻桥臂上，180度对应位置的应变片在相邻桥臂上；所述的轴向力应变片组构成一个惠斯通电桥半桥，4片轴向力应变片串联后一起放在单个桥臂上；4片所述的温度补偿应变片串联后放在另一个桥臂上；或所述的轴向力应变片与温度补偿应变片构成一个惠斯通电桥全桥，4片应变片任意分2组，每组应变片串联后分别放在对边桥臂上，4个温度补偿片分2组分别放在相邻桥臂上。
5.根据权利要求1、4任一所述的轴销式三向测力传感器，其特征在于：所述的轴销弹性元件(21)的轴端面(400)设有多个螺纹孔(500)，或轴端处(300)设有一段轴销为螺纹(600)，可通过螺纹连接实现轴向预应力装配。
6.根据权利要求2所述的轴销式三向测力传感器，其特征在于：所述的轴销弹性元件(21)的轴端面(400)设有多个螺纹孔(500)，或轴端处(300)设有一段轴销为螺纹(600)，可通过螺纹连接实现轴向预应力装配。
7.根据权利要求1、4任一所述的轴销式三向测力传感器，其特征在于：所述的轴销弹性元件(21)设有内孔(700)，或轴销圆柱表面(800)沿轴向设有小槽(900)便于辅助电路布线。
8.根据权利要求3所述的轴销式三向测力传感器，其特征在于：所述的轴销弹性元件(21)设有内孔(700)，或轴销圆柱表面(800)沿轴向设有小槽(900)，便于辅助电路布线。
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